一种钢箱梁桥面用水泥基复合材料及其制备和铺装的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种钢箱梁桥面铺装用水泥基复合材料及其制备方法和铺装方法。目的在于提供一种适用于较大跨径钢箱梁桥面铺装的轻质、高韧性水泥基复合材料，各组分的配比按重量份数计为：水泥849～881，石英砂339～425，陶砂215～273，粉煤灰100～226，硅灰30～56，水275～295，减水剂10～13，钢纤维40～80，有机纤维6.5～13，环氧树脂20～30。通过材料优化，提高了桥面铺装层的耐久性以及降低了整体自重，同时节约了工程造价，适宜于较大跨径钢箱梁桥面铺装。
【专利说明】一种钢箱梁桥面用水泥基复合材料及其制备和铺装
【技术领域】
[0001]本发明属于材料科学与工程领域，具体涉及一种钢箱梁桥面用水泥基复合材料及其制备方法和铺装方法。
【背景技术】
[0002]由于钢箱梁桥具有自重轻、节省钢材、易预制安装等显著优势，被广泛应用于国内外桥梁、市政工程建设。采用钢板铺设防锈层后焊接剪力件+钢筋网+混凝土 +防水粘结层+面层SMA的钢箱梁桥面铺装方案仅适用于200m左右的桥梁，极大的限制了我国大型桥梁的建设创新。
[0003]传统方案用于较大跨度钢箱梁桥面存在以下问题:1)在反复的交通荷载和高低温荷载的双重作用下，水泥混凝土易产生疲劳开裂，导致水分浸入加剧其中的钢筋锈蚀，降低了桥梁使用寿命；2)由于普通混凝土自重较大，力学性能及耐久性不佳等问题，在很大程度上限制了桥梁跨径拔高；3)由于主梁梁体混凝土较铺装层先完成，其混凝土与后浇铺装层混凝土存在较大的工作龄期差，使得先浇混凝土与后浇混凝土因收缩值不同产生剪应力差，对结构造成了附加应力，对混凝土的韧性提出了更高的要求。由此可以看出，当前对桥梁铺装材料的设计并未完全满足实际桥梁建设事业跨径发展要求，亟需对桥梁铺装层材料进行优化。
[0004]目前，提出新型铺装结构并在普通水泥基材料的基础上开发轻集料、优选外加剂等是解决该难题的主要技术手段。但采用普通的轻集料混凝土存在强度以及耐久性方面不足的问题，疲劳开裂现象屡见不鲜，同时轻集料混凝土在施工振动过程中，轻集料、细集料、未水化的水泥颗粒及水泥浆体的密度各不相同，轻集料和粉煤灰等矿物掺合料易出现上浮，导致铺装层材料产生分层现象，影响其耐磨性及使用寿命。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种适用于较大跨径钢箱梁桥面铺装的轻质、高韧性水泥基复合材料及其制备方法，通过材料优化，提高了桥面铺装层的耐久性以及降低了整体自重，同时节约了工程造价，适宜于较大跨径钢箱梁桥面铺装。
[0006]为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下:
[0007]—种钢箱梁桥面用水泥基复合材料，各组分的配比按重量份数计为:
[0008]水泥849-881，
[0009]石英砂339-425，
[0010]陶砂215-273，
[0011]粉煤灰100-226，
[0012]硅灰30-56，
[0013]水275-295，
[0014]减水剂10-13，[0015]钢纤维40-80，
[0016]有机纤维6.5-13，
[0017]环氧树脂混合物20-30，
[0018]所述的环氧树脂混合物为水泥基复合材料制备时加入的环氧树脂及其固化剂的混合物；所述的有机纤维为聚乙烯醇纤维(PVA)。
[0019]按上述方案，所述的水泥选用P.052.5硅酸盐水泥。
[0020]按上述方案，所述的陶砂的细度模数为3.1-3.7，堆积密度800_900kg/m3，吸水率10-15% ;所述的石英砂的细度模数1.0-1.5。
[0021]按上述方案，所述的环氧树脂为双酚A环氧树脂或非离子型水性环氧树脂，环氧当量195±5 ;所述固化剂为多兀胺类固化剂,活泼氢当量400±5。
[0022]按上述方案，所述的粉煤灰为II级粉煤灰或I级粉煤灰；所述的硅灰平均粒径在0.1-0.3 μ m,比表面积为:20-28m2/g。
[0023]按上述方案，所述的减水剂为萘系减水剂或聚羧酸减水剂。
[0024]按上述方案，所述的钢纤维为多锚固点的碳素冷拔钢丝切断型，长度为25-35mm0
[0025]按上述方案，所述的聚乙烯醇纤维长度11-13mm，密度1.3g/cm3。
[0026]按上述方案，所述的水泥基复合材料的制备方法，包括以下步骤:
[0027]1)将环氧树脂及其固化剂混合均匀，得到环氧树脂组分备用；将陶砂用水浸泡，使其充分吸水饱和，取出晾至饱和面干状态；
[0028]2 )在将水泥、石英砂、陶砂、粉煤灰、硅灰投料后，加入水和减水剂，搅拌混合均匀，再加入已混合均匀的环氧树脂组分，搅拌混合均匀，最后加入聚乙烯醇纤维，搅拌到纤维能够均匀分布的状态。
[0029]按上述方案，所述的水泥基复合材料的铺装方法，包括以下步骤:
[0030]1)预先对钢箱梁桥梁梁板喷洒一层界面粘结剂。
[0031]2)利用混凝土罐车将制备好的轻质高韧性水泥基复合材料运输至施工现场，直接倒入安装好侧模的路槽内，人工找补。
[0032]3)摊铺完成后立即用震动棒振捣,材料厚度控制为6-8cm,刮平,机械抹光,最后
覆盖塑料薄膜。
[0033]本发明的有益效果是:
[0034]I)在普通水泥基材料中以水泥、矿物掺合料以及平均粒径不大于0.15mm的石英砂作为基体，通过细观力学设计的有机乱向分布短纤维并复合钢纤维等增强、增韧组分能产生“桥联”效应，起到耗能、缓冲和连接各个碎片的作用，极大的提高抗压、抗折强度，改善材料韧性并限制裂纹扩展，控制裂缝宽度。在受拉过程中能够形成稳定状态开裂，当拉应变能力超过1%时，其中的裂缝宽度会稳定在60 μ m左右，随着拉应变能力的提高，裂缝宽度不发生改变，而微裂缝的数目不断增加。
[0035]2)由于用轻质陶砂部分取代细集料同时加入矿物掺合料，在保证水泥基材料抗压强度及工作性能的前提下，还具有多孔结构可以减轻桥梁自重，减震降噪。
[0036]3)加入有机聚合物，极大的改善了材料界面性质，水化产物C-S-H凝胶以及针状的Afm晶体与聚合物网膜相互交织，形成相互交叉的双重网络结构，使得整个砂浆体系变得更加致密，对抗折强度、耐久性有明显的提升。
[0037]4)该材料具高韧性、高承载力、高耐久性、工作性能优异和可持续性强等特征，同时具有良好的耗能减震特性，便于施工，节约成本。其28d抗压强度>80MPa ；28d抗折强度>10MPa ;容重< 2050kg/m3 ;疲劳寿命>200万次；断裂韧性指数η 30>25 ；28d收缩率〈8X10-4。此外，本发明不仅在改善混凝土路面使用性能方面的效果优异，而且可以降低工程造价，具有很好的经济效益，因此特别适用于钢箱梁桥面铺装。
【具体实施方式】
[0038]下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但不作为对本发明保护范围的限制。
[0039]实施例1
[0040]配料(按重量份数计):P.052.5硅酸盐水泥881，石英砂(细度模数1.0) 425，陶砂(细度模数为3.7，堆积密度900kg/m3，吸水率15%) 273，I级粉煤灰100，硅灰(粒径在
0.3ym,比表面积为28m2/g)30，水275，萘系减水剂10，钢纤维(长度为35mm) 80，聚乙烯醇纤维(13mm，密度1.3g/cm3) 13，双酚A环氧树脂(环氧当量195±5)与多元胺固化剂(活泼氢当量400±5)的混合物20。硅灰的比表面积测试标准采用GB/T19587-2004。
[0041]按比例称取各原材料，首先将陶砂浸泡10h，使其充分吸水饱和；将环氧树脂及其固化剂按比例混合，搅拌混合均匀；取出浸泡过的陶砂在饱和面干的状态下加入搅拌锅中，(需提前测得所用陶砂的吸水率，并在外加水中扣除)；再将石英砂及粉料加入搅拌锅中，干拌2min，然后缓慢的加入钢纤维，干拌2min，接着在搅拌过程中加入水和高效减水剂，搅拌3min，再加入混合均匀的环氧树脂组分搅拌3min，最后在搅拌过程中缓慢加入有机纤维以确保纤维能够均匀分布，搅拌5min ;搅拌时间的终止以纤维浆体不成团、结块为判断依据，以保证纤维的充分分散，即制得轻质高韧性水泥基复合材料。
[0042](2)轻质高韧性水泥基复合材料的铺装
[0043]1)施工前将所有需用的设备进入待命状态并预先对桥梁梁板喷洒一层界面粘结剂。
[0044]2)利用混凝土罐车将制备好的轻质高韧性水泥基复合材料运输至施工现场，直接倒入安装好侧模的路槽内，人工找补均匀，如发现有离析现象，应用铁锹翻拌。
[0045]3)摊铺完成后立即用震动棒进行振捣，振捣后厚度控制为6cm、然后进行刮平、机械抹光等操作，最后覆盖塑料薄膜，以抑制其表面的水分蒸发，达到减少甚至消除塑性开裂，改善外观质量，提高耐久性能的目的。
[0046]本实施例制备的水泥基复合材料的性能测试，根据《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTG E30-2005)测得:28d抗压强度91MPa ；28d抗折强度14MPa ;容重实测2030kg/m3 ;疲劳寿命213万次；断裂韧性指数n30=31，28d收缩率为7.2X10-4。
[0047]实施例2
[0048]配料(按重量份数计):P.052.5硅酸盐水泥849，石英砂(细度模数1.5) 339，陶砂(细度模数为3.1，堆积密度800kg/m3，吸水率10%)215，II级粉煤灰226，硅灰(粒径在
0.1ym,比表面积为:20m2/g)56，水295，聚羧酸减水剂13，钢纤维(长度为25mm)40，聚乙烯醇纤维(11mm，密度1.3g/cm3) 13，非离子型水性环氧树脂(环氧当量195±5)与多元胺固化剂(活泼氢当量400±5)的混合物30。[0049]制备方法同实施例1.[0050]轻质高韧性水泥基复合材料的铺装:
[0051]I)施工前将所有需用的设备进入待命状态并预先对桥梁梁板喷洒一层界面粘结剂。
[0052]2)利用混凝土罐车将制备好的轻质高韧性水泥基复合材料运输至施工现场，直接倒入安装好侧模的路槽内，人工找补均匀，如发现有离析现象，应用铁锹翻拌。
[0053]3)摊铺完成后立即用震动棒进行振捣，振捣后厚度控制为8cm、然后进行刮平、机械抹光等操作，最后覆盖塑料薄膜，以抑制其表面的水分蒸发，达到减少甚至消除塑性开裂，改善外观质量，提高耐久性能的目的。
[0054]本实施例制备的主要材料的性能测试，根据《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTG E30-2005)测得:28d抗压强度83MPa ;28d抗折强度IlMPa ;实测容重1950kg/m3 ；疲劳寿命209万次；断裂韧性指数n30=27，28d收缩率为5.8X 10_4。
[0055]实施例3
[0056]配料(按重量份数计):P.052.5硅酸盐水泥860，石英砂(细度模数1.5) 380，陶砂(细度模数为3.5，堆积密度 850kg/m3，吸水率12%) 245，II级粉煤灰150，硅灰(粒径在
0.2ym,比表面积为:25m2/g)40，水280，聚羧酸减水剂10，钢纤维(长度为30mm)50，聚乙烯醇纤维(12mm，密度1.3g/cm3) 13，双酚A环氧树脂(环氧当量195±5)与多元胺固化剂(活泼氢当量400±5)的混合物25。
[0057]制备方法同实施例1。
[0058]铺装方法同实施例2。
[0059]本实施例制备的主要材料的性能测试，根据《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTG E30-2005)测得:28d抗压强度85MPa ；28d抗折强度12MPa ;实测容重2000kg/m3 ；疲劳寿命221万次；断裂韧性指数η 30=29 ；28d收缩率为6.4X 10_4。
【权利要求】
1.一种钢箱梁桥面用水泥基复合材料，其特征在于各组分的配比按重量份数计为: 水泥849-881， 石英砂339-425， 陶砂215-273， 粉煤灰100-226， 娃灰30-56, 水 275 -295， 减水剂10-13， 钢纤维40-80， 有机纤维6.5-13, 环氧树脂混合物20-30， 所述的环氧树脂混合物为水泥基复合材料制备时加入的环氧树脂及其固化剂的混合物；所述的有机纤维为聚乙烯醇纤维。
2.如权利要求1所述的水泥基复合材料，其特征在于组分中水泥选用P*052.5硅酸盐水泥。
3.如权利要求1所述的水泥基复合材料，其特征在于所述的陶砂的细度模数为3.1-3.7，堆积密度800-900kg/m3，吸水率10-15% ;所述的石英砂的细度模数1.0-1.5。
4.如权利要求1所述的水泥基复合材料，其特征在于所述环氧树脂为双酚A环氧树脂或非离子型水性环氧树脂，环氧当量195±5 ;所述固化剂为多元胺类固化剂，活泼氢当量400±5。
5.如权利要求1所述的水泥基复合材料，其特征在于所述的粉煤灰为II级粉煤灰或I级粉煤灰；所述的硅灰平均粒径在0.1-0.3 μ m，比表面积为:20-28m2/g。
6.如权利要求1所述的水泥基复合材料，其特征在于所述的减水剂为萘系减水剂或聚羧酸减水剂。
7.如权利要求1所述的水泥基复合材料，其特征在于所述的钢纤维为多锚固点的碳素冷拔钢丝切断型，长度为25-35mm。
8.如权利要求1所述的水泥基复合材料，其特征在于所述的聚乙烯醇纤维长度11-13mm,密度 1.3g/cm3。
9.权利要求1至8任一项所述的水泥基复合材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤: 1)将环氧树脂及其固化剂混合均匀，得到环氧树脂组分备用；将陶砂用水浸泡，使其充分吸水饱和，取出晾至饱和面干状态； 2 )在将水泥、石英砂、陶砂、粉煤灰、硅灰投料后，加入水和减水剂，搅拌混合均匀，再加入已混合均匀的环氧树脂组分，搅拌混合均匀，最后加入聚乙烯醇纤维，搅拌到纤维能够均匀分布的状态。
10.权利要求1至8任一项所述的水泥基复合材料的铺装方法，其特征在于包括以下步骤: 1）预先对钢箱梁桥梁梁板喷洒一层界面粘结剂。 2)利用混凝土罐车将制备好的轻质高韧性水泥基复合材料运输至施工现场，直接倒入安装好侧模的路槽内，人工找补。3)摊铺完成后立即用震动棒振捣，材料厚度控制为6-8cm，刮平，机械抹光，最后覆盖塑料薄膜。`
【文档编号】E01D21/00GK103449786SQ201310419625
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2013年9月13日 优先权日:2013年9月13日
【发明者】丁庆军, 陆超, 徐波, 牟廷敏, 沈凡, 赵明宇, 卢吉 申请人:武汉理工大学